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管網(wǎng)知識(shí) | 我國城市地球物理勘探方法應(yīng)用進(jìn)展
來源：h078.cn 發(fā)布時(shí)間：2023年07月05日
引言
城市地下空間作為一種寶貴的自然資源，在全球發(fā)達(dá)國家和部分發(fā)展中國家已得到廣泛開發(fā)應(yīng)用。隨著我國城市化建設(shè)不斷推進(jìn)，城市地下空間探測(cè)已成為當(dāng)前研究關(guān)注的熱點(diǎn)問題，同時(shí)對(duì)地球物理方法技術(shù)提岀了更高要求，地球物理方法是進(jìn)行城市地下空間探測(cè)、開展地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查以及地下填圖不可或缺的手段。近年來，我國在成都、杭州及雄安新區(qū)等重大城市均開展了城市地下空間探測(cè)工作，并且綜合運(yùn)用多種物探方法，用以解決與城市密切相關(guān)的地質(zhì)、水文、環(huán)境及災(zāi)害等一系列問題，取得了較好應(yīng)用效果。
當(dāng)前，地球物理探測(cè)方法技術(shù)在國外地下空間探測(cè)中常用于工程物探勘察，日本主要使用面波、淺層地震反射勘探；加拿大主要使用地質(zhì)雷達(dá)、高密度電阻率成像和淺層地震勘探；新加坡主要使用電阻率成像、淺層地震、測(cè)井及井中物探。對(duì)于系統(tǒng)性的城市地下空間探測(cè)，仍待進(jìn)一步豐富和完善。
同發(fā)達(dá)國家相比，我國城市地下空間探測(cè)利用起步較晚，但發(fā)展迅速。早期城市地下空間探測(cè)主要結(jié)合城市地質(zhì)調(diào)查和工程勘察展開。1960年代我國組織開展城市地質(zhì)調(diào)查，包括城市地下水資源勘查、綜合工程地質(zhì)勘查、環(huán)境地質(zhì)勘查和地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等。1980年，我國在100多個(gè)大中城市使用航磁、重力、電阻率法和放射性法等物探手段開展綜合區(qū)域物探工作，基本探明大區(qū)域尺度構(gòu)造特征。2003年，我國以北京、上海、天津、廣州等大城市為地質(zhì)調(diào)查試點(diǎn)地區(qū)，之后又組織開展新一輪包括杭州、武漢、南昌等在內(nèi)的多要素城市地質(zhì)調(diào)查工作，這些城市尺度的地下空間探測(cè)，綜合利用了鉆探、高精度重磁、電磁法、地震縱橫波勘探、測(cè)井及井中物探等地球物理方法組合技術(shù)，為城市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)和空間資源開發(fā)利用提供了支撐。
與常規(guī)物探工作相比，城市地下空間探測(cè)環(huán)境特殊，通常建筑物密集，車輛交通繁忙，環(huán)境噪聲干擾嚴(yán)重，具有勘查范圍小、勘查網(wǎng)較密、淺層勘探精度要求高以及靈活度要求較高等特點(diǎn)，需滿足狹小空間高效作業(yè)、抗干擾及綠色環(huán)保等要求；因工作特色與作業(yè)方式不同，不宜簡(jiǎn)單套用石油、煤田勘探技術(shù)。在數(shù)據(jù)采集和處理方面對(duì)常規(guī)物探工作提岀了更高要求，需逐步改進(jìn)完善傳統(tǒng)方法技術(shù)，以適應(yīng)城市勘探需求，提高抗干擾能力和實(shí)際探測(cè)效果。一些學(xué)者進(jìn)行了城市干擾背景下的淺層地震勘探系列試驗(yàn)研究，使方法技術(shù)不斷完善，促進(jìn)了行業(yè)發(fā)展。
本文試圖總結(jié)梳理近年來城市地下空間探測(cè)中的地球物理方法應(yīng)用研究進(jìn)展工作及發(fā)展趨勢(shì)，涵蓋電磁、地震、重力及井間物探等多門類綜合地球物理勘探方法，涉及最新的光纖傳感及微動(dòng)探測(cè)技術(shù)在地下空間探測(cè)的應(yīng)用，并概括了各種方法的優(yōu)勢(shì)所在，簡(jiǎn)明闡述了城市地下空間探測(cè)的有效方法途徑和部分存在的問題，以期為地球物理勘探相關(guān)技術(shù)發(fā)展及城市地下空間探測(cè)工作提供一定參考借鑒。
1 城市地球物理勘探基本原理、方法及探測(cè)目標(biāo)
1.1 地球物理勘探基本原理
地球物理探測(cè)依據(jù)目標(biāo)體與周邊介質(zhì)的物理差異，運(yùn)用地球物理原理和相應(yīng)的先進(jìn)物探儀器設(shè)備，分析研究觀測(cè)到的物理場(chǎng)分布，通過數(shù)據(jù)處理、對(duì)比異常來分析解釋與探測(cè)目標(biāo)體之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來探查地質(zhì)界限、地質(zhì)構(gòu)造或其它目標(biāo)體，或測(cè)定地質(zhì)體或地下人工埋設(shè)物的物理性質(zhì)或工程特性的測(cè)試方法，基于地質(zhì)條件變化、城市活動(dòng)引起的電場(chǎng)、地震波場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)、地?zé)釄?chǎng)、放射性等物理場(chǎng)的變化，相應(yīng)使用電法、地震、磁法、重力、測(cè)溫、放射性勘探等各種方法，探究在陸地、水域、地下（井中及坑道）等不同條件下取得的應(yīng)用效果，獲取包括地質(zhì)構(gòu)造、地下水、滑坡、流體充填、異常埋藏物等的物理特性，以解決1*3*1+19-10/29+7-3巖土工程及環(huán)境地質(zhì)問題，為城市建設(shè)規(guī)劃、空間資源開發(fā)利用和城市健康可持續(xù)發(fā)展提供支撐。
1.2 地球物理勘探方法
目前，國內(nèi)多種常規(guī)及新型地球物理方法應(yīng)用于城市地下空間探測(cè)調(diào)查，依據(jù)地質(zhì)體電場(chǎng)、地震波場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)、地?zé)釄?chǎng)、放射性等場(chǎng)源屬性差異，當(dāng)前涵蓋的主要技術(shù)方法包括：探地雷達(dá)、常規(guī)淺層地震（二維、三維）、高密度電法、廣域電磁法、瞬變電磁法、井中地球物理技術(shù)（井中地震、井中電磁法、測(cè)井）、直流電法測(cè)深、天然被動(dòng)源面波勘查、混合源三分量地震頻率諧振勘探等探測(cè)方法，特別是微動(dòng)探測(cè)方法及利用光纖采集的分布式聲波傳感技術(shù)（DAS）近年來得到廣泛關(guān)注和探索發(fā)展，并在實(shí)踐中不斷增強(qiáng)。
1.3 地球物理勘探目標(biāo)
城市地下空間地球物理探測(cè)工作內(nèi)容與城市建設(shè)工程及城市環(huán)境密切相關(guān)，具體而言，上述地球物理勘探技術(shù)方法可用來研究解決地下構(gòu)造地質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分；確認(rèn)覆蓋層、風(fēng)化帶、基巖埋深；探測(cè)活斷層及隱伏構(gòu)造；探測(cè)含水富集區(qū)；探測(cè)暗浜、巖溶和空洞；探測(cè)地下管線；路基災(zāi)害、滑坡調(diào)查；勘查古河道；地鐵軌道與高速公路選線；重大建筑（水壩、發(fā)電站等）選址；垃圾填埋場(chǎng)探測(cè)與滲漏評(píng)價(jià)；城市污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定等問題，乃至考古調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)與修復(fù)等，具有重要意義。
2 方法應(yīng)用研究進(jìn)展
隨著人類活動(dòng)與改造自然的能力不斷加強(qiáng)，城市化進(jìn)程對(duì)自然環(huán)境的影響也日益增強(qiáng)，可能帶來新的災(zāi)害，環(huán)境與災(zāi)害問題值得關(guān)注。近年來我國城市道路塌方、地鐵塌陷等事故常有發(fā)生，城市面臨特殊地質(zhì)環(huán)境下地面沉降、地裂縫、活動(dòng)斷裂及巖溶等特殊地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)危害，有必要盡快開展特殊地質(zhì)城市地下空間探測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)等方法研究。下文將試圖重點(diǎn)從高密度電法、探地雷達(dá)法、面波勘探法、淺層地震法、高精度重力等物探方法予以介紹，梳理分析不同地球物理方法在城市地下空間探測(cè)應(yīng)用進(jìn)展及探測(cè)效果等，并簡(jiǎn)明闡述方法優(yōu)勢(shì)和不足，以及在實(shí)際工作中面臨的一些問題。探測(cè)要素涉及城市活斷層及裂縫探測(cè)、淺表層結(jié)構(gòu)與巖性參數(shù)探測(cè)、地下管線及巖溶空洞探測(cè)、地下地?zé)嵛?dòng)探測(cè)和城市地下道路探測(cè)等。
2.1 高密度電法
高密度電法是基于不同地層巖石間存在導(dǎo)電性能差異，集電剖面法和電測(cè)深為一體的地學(xué)層析技術(shù)。通過一組電極向地下供電，另一組電極測(cè)量電壓、電流并引入裝置系數(shù)，得到視電阻率值，從而推斷解釋地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)，達(dá)到勘探目的。
上世紀(jì)80年代中期，日本利用自動(dòng)控制理論與集成電路，實(shí)現(xiàn)高密度電法野外數(shù)據(jù)采集，我國地礦界于80年代后期開始研究高密度電法理論與技術(shù)方法；隨著計(jì)算機(jī)硬件與技術(shù)的不斷向前發(fā)展，高密度電法應(yīng)用實(shí)踐不斷加強(qiáng)，日趨成熟，應(yīng)用領(lǐng)域包括：圈定含水層，探測(cè)裂縫、空洞、暗浜和膏鹽層等不良地質(zhì)體，路基及橋墩選址等。
曹創(chuàng)華等（2019）根據(jù)地質(zhì)和鉆孔信息對(duì)高密度電法測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了層狀劃分，構(gòu)建二維模型反演，完成了高密度電阻率從一維到二維的逐級(jí)反演研究，提高了反演精度和地質(zhì)解釋準(zhǔn)確度。王亞輝等（2019）采用鉆孔揭露、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、多參數(shù)地球物理測(cè)井、地面地球物理勘探組合方法開展了地下空間精細(xì)探測(cè)與建模研究，獲取了西咸新區(qū)多參數(shù)地球物理特征，提岀高密度電法、微動(dòng)臺(tái)陣觀測(cè)、淺層地震勘探及多參數(shù)測(cè)井方法相結(jié)合的城市地下空間物探組合方法。
膏鹽層是城市地下空間常見的不良地質(zhì)體，提前獲知基巖內(nèi)膏鹽層埋深及展布具有重要意義。李華等（2020b）采用高密度電法、微動(dòng)勘探、三分量頻率諧振勘探等方法開展了膏鹽富集層探測(cè)研究，并利用等值反磁通瞬變電磁法對(duì)研究區(qū)開展了100mx10m的掃面測(cè)量工作，反演獲取200m以淺的三維電性結(jié)構(gòu)，結(jié)合鉆孔信息推斷膏鹽層空間展布形態(tài)。
郭淑君等（2021）利用高密度電阻率法對(duì)雄安新區(qū)0?200m第四系地層內(nèi)發(fā)育的砂層透鏡體、隱伏裂隙和塌陷等進(jìn)行了探測(cè)研究，結(jié)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)斷面和高密度電阻率體深度切片，預(yù)測(cè)了古河道砂體分布。數(shù)據(jù)采用溫納α布極方式（圖1）、利用WDJD-2高密度電法儀進(jìn)行測(cè)量，電偶極矩10m，測(cè)區(qū)共布置東西向13條測(cè)線、南北向8條測(cè)線，呈網(wǎng)格狀分布。
高密度電法在城市應(yīng)用中面臨的問題有：城市環(huán)境電磁干擾對(duì)高密度電法不利，高電磁干擾下不宜采用；存在電極與硬化地面耦合問題，需有效改善接地條件，以確保正常供電和探測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性；測(cè)線受建筑物及場(chǎng)地限制等。
2.2 探地雷達(dá)法
探地雷達(dá)法通過地面發(fā)射數(shù)十兆赫至數(shù)千兆赫的高頻電磁波，根據(jù)接收到的反射電磁波振幅及波形等信息，來分析、推斷地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)及地層巖性特征等。探地雷達(dá)法應(yīng)用前提是地層之間存在介電常數(shù)差異，這種上下層介電常數(shù)差異決定了電磁波在地下傳播過程中反射信號(hào)的強(qiáng)弱。
趙鐠等(2017)結(jié)合地下管線探測(cè)及巖溶調(diào)查等案例，分析了探地雷達(dá)等多種探測(cè)技術(shù)的綜合應(yīng)用效果，研究認(rèn)為三維高密度橫波地震、三維高密度電磁法、三維探地雷達(dá)等技術(shù)是城市地下空間探測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。馮晅等(2018)采用全極化探地雷達(dá)識(shí)別管道，改善了已往單極化雷達(dá)只能獲得單極化數(shù)據(jù)的方法，提取了單一及多管道目標(biāo)中任一管道目標(biāo)的極化屬性，表明全極化探地雷達(dá)技術(shù)能獲得更加全面的目標(biāo)體極化信息，能較好識(shí)別極化屬性受到影響的管道目標(biāo)。
鄧詩凡等(2020)綜合應(yīng)用電磁感應(yīng)法、地質(zhì)雷達(dá)法、聲學(xué)探測(cè)法開展地下管線分布探測(cè)試驗(yàn)，通過不同方法相互配合和交叉驗(yàn)證，繪制了準(zhǔn)確的管網(wǎng)分布圖。圖3雷達(dá)圖像揭示了雨水管道、消防管道、熱力管溝及給水管道。結(jié)果表明，組合使用合適的探測(cè)方法，分步試驗(yàn)判斷，可有效解決近距離鑄鐵管線探測(cè)中的信號(hào)干擾問題。
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城市地下空間作為一種寶貴的自然資源，在全球發(fā)達(dá)國家和部分發(fā)展中國家已得到廣泛開發(fā)應(yīng)用。隨著我國城市化建設(shè)不斷推進(jìn)，城市地下空間探測(cè)已成為當(dāng)前研究關(guān)注的熱點(diǎn)問題，同時(shí)對(duì)地球物理方法技術(shù)提岀了更高要求，地球物理方法是進(jìn)行城市地下空間探測(cè)、開展地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查以及地下填圖不可或缺的手段。近年來，我國在成都、杭州及雄安新區(qū)等重大城市均開展了城市地下空間探測(cè)工作，并且綜合運(yùn)用多種物探方法，用以解決與城市密切相關(guān)的地質(zhì)、水文、環(huán)境及災(zāi)害等一系列問題，取得了較好應(yīng)用效果。
當(dāng)前，地球物理探測(cè)方法技術(shù)在國外地下空間探測(cè)中常用于工程物探勘察，日本主要使用面波、淺層地震反射勘探；加拿大主要使用地質(zhì)雷達(dá)、高密度電阻率成像和淺層地震勘探；新加坡主要使用電阻率成像、淺層地震、測(cè)井及井中物探。對(duì)于系統(tǒng)性的城市地下空間探測(cè)，仍待進(jìn)一步豐富和完善。
同發(fā)達(dá)國家相比，我國城市地下空間探測(cè)利用起步較晚，但發(fā)展迅速。早期城市地下空間探測(cè)主要結(jié)合城市地質(zhì)調(diào)查和工程勘察展開。1960年代我國組織開展城市地質(zhì)調(diào)查，包括城市地下水資源勘查、綜合工程地質(zhì)勘查、環(huán)境地質(zhì)勘查和地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等。1980年，我國在100多個(gè)大中城市使用航磁、重力、電阻率法和放射性法等物探手段開展綜合區(qū)域物探工作，基本探明大區(qū)域尺度構(gòu)造特征。2003年，我國以北京、上海、天津、廣州等大城市為地質(zhì)調(diào)查試點(diǎn)地區(qū)，之后又組織開展新一輪包括杭州、武漢、南昌等在內(nèi)的多要素城市地質(zhì)調(diào)查工作，這些城市尺度的地下空間探測(cè)，綜合利用了鉆探、高精度重磁、電磁法、地震縱橫波勘探、測(cè)井及井中物探等地球物理方法組合技術(shù)，為城市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建設(shè)和空間資源開發(fā)利用提供了支撐。
與常規(guī)物探工作相比，城市地下空間探測(cè)環(huán)境特殊，通常建筑物密集，車輛交通繁忙，環(huán)境噪聲干擾嚴(yán)重，具有勘查范圍小、勘查網(wǎng)較密、淺層勘探精度要求高以及靈活度要求較高等特點(diǎn)，需滿足狹小空間高效作業(yè)、抗干擾及綠色環(huán)保等要求；因工作特色與作業(yè)方式不同，不宜簡(jiǎn)單套用石油、煤田勘探技術(shù)。在數(shù)據(jù)采集和處理方面對(duì)常規(guī)物探工作提岀了更高要求，需逐步改進(jìn)完善傳統(tǒng)方法技術(shù)，以適應(yīng)城市勘探需求，提高抗干擾能力和實(shí)際探測(cè)效果。一些學(xué)者進(jìn)行了城市干擾背景下的淺層地震勘探系列試驗(yàn)研究，使方法技術(shù)不斷完善，促進(jìn)了行業(yè)發(fā)展。
本文試圖總結(jié)梳理近年來城市地下空間探測(cè)中的地球物理方法應(yīng)用研究進(jìn)展工作及發(fā)展趨勢(shì)，涵蓋電磁、地震、重力及井間物探等多門類綜合地球物理勘探方法，涉及最新的光纖傳感及微動(dòng)探測(cè)技術(shù)在地下空間探測(cè)的應(yīng)用，并概括了各種方法的優(yōu)勢(shì)所在，簡(jiǎn)明闡述了城市地下空間探測(cè)的有效方法途徑和部分存在的問題，以期為地球物理勘探相關(guān)技術(shù)發(fā)展及城市地下空間探測(cè)工作提供一定參考借鑒。
1 城市地球物理勘探基本原理、方法及探測(cè)目標(biāo)
1.1 地球物理勘探基本原理
地球物理探測(cè)依據(jù)目標(biāo)體與周邊介質(zhì)的物理差異，運(yùn)用地球物理原理和相應(yīng)的先進(jìn)物探儀器設(shè)備，分析研究觀測(cè)到的物理場(chǎng)分布，通過數(shù)據(jù)處理、對(duì)比異常來分析解釋與探測(cè)目標(biāo)體之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來探查地質(zhì)界限、地質(zhì)構(gòu)造或其它目標(biāo)體，或測(cè)定地質(zhì)體或地下人工埋設(shè)物的物理性質(zhì)或工程特性的測(cè)試方法，基于地質(zhì)條件變化、城市活動(dòng)引起的電場(chǎng)、地震波場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)、地?zé)釄?chǎng)、放射性等物理場(chǎng)的變化，相應(yīng)使用電法、地震、磁法、重力、測(cè)溫、放射性勘探等各種方法，探究在陸地、水域、地下（井中及坑道）等不同條件下取得的應(yīng)用效果，獲取包括地質(zhì)構(gòu)造、地下水、滑坡、流體充填、異常埋藏物等的物理特性，以解決1*3*1+19-10/29+7-3巖土工程及環(huán)境地質(zhì)問題，為城市建設(shè)規(guī)劃、空間資源開發(fā)利用和城市健康可持續(xù)發(fā)展提供支撐。
1.2 地球物理勘探方法
目前，國內(nèi)多種常規(guī)及新型地球物理方法應(yīng)用于城市地下空間探測(cè)調(diào)查，依據(jù)地質(zhì)體電場(chǎng)、地震波場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)、地?zé)釄?chǎng)、放射性等場(chǎng)源屬性差異，當(dāng)前涵蓋的主要技術(shù)方法包括：探地雷達(dá)、常規(guī)淺層地震（二維、三維）、高密度電法、廣域電磁法、瞬變電磁法、井中地球物理技術(shù)（井中地震、井中電磁法、測(cè)井）、直流電法測(cè)深、天然被動(dòng)源面波勘查、混合源三分量地震頻率諧振勘探等探測(cè)方法，特別是微動(dòng)探測(cè)方法及利用光纖采集的分布式聲波傳感技術(shù)（DAS）近年來得到廣泛關(guān)注和探索發(fā)展，并在實(shí)踐中不斷增強(qiáng)。
1.3 地球物理勘探目標(biāo)
城市地下空間地球物理探測(cè)工作內(nèi)容與城市建設(shè)工程及城市環(huán)境密切相關(guān)，具體而言，上述地球物理勘探技術(shù)方法可用來研究解決地下構(gòu)造地質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分；確認(rèn)覆蓋層、風(fēng)化帶、基巖埋深；探測(cè)活斷層及隱伏構(gòu)造；探測(cè)含水富集區(qū)；探測(cè)暗浜、巖溶和空洞；探測(cè)地下管線；路基災(zāi)害、滑坡調(diào)查；勘查古河道；地鐵軌道與高速公路選線；重大建筑（水壩、發(fā)電站等）選址；垃圾填埋場(chǎng)探測(cè)與滲漏評(píng)價(jià)；城市污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定等問題，乃至考古調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)與修復(fù)等，具有重要意義。
2 方法應(yīng)用研究進(jìn)展
隨著人類活動(dòng)與改造自然的能力不斷加強(qiáng)，城市化進(jìn)程對(duì)自然環(huán)境的影響也日益增強(qiáng)，可能帶來新的災(zāi)害，環(huán)境與災(zāi)害問題值得關(guān)注。近年來我國城市道路塌方、地鐵塌陷等事故常有發(fā)生，城市面臨特殊地質(zhì)環(huán)境下地面沉降、地裂縫、活動(dòng)斷裂及巖溶等特殊地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)危害，有必要盡快開展特殊地質(zhì)城市地下空間探測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)等方法研究。下文將試圖重點(diǎn)從高密度電法、探地雷達(dá)法、面波勘探法、淺層地震法、高精度重力等物探方法予以介紹，梳理分析不同地球物理方法在城市地下空間探測(cè)應(yīng)用進(jìn)展及探測(cè)效果等，并簡(jiǎn)明闡述方法優(yōu)勢(shì)和不足，以及在實(shí)際工作中面臨的一些問題。探測(cè)要素涉及城市活斷層及裂縫探測(cè)、淺表層結(jié)構(gòu)與巖性參數(shù)探測(cè)、地下管線及巖溶空洞探測(cè)、地下地?zé)嵛?dòng)探測(cè)和城市地下道路探測(cè)等。
2.1 高密度電法
高密度電法是基于不同地層巖石間存在導(dǎo)電性能差異，集電剖面法和電測(cè)深為一體的地學(xué)層析技術(shù)。通過一組電極向地下供電，另一組電極測(cè)量電壓、電流并引入裝置系數(shù)，得到視電阻率值，從而推斷解釋地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)，達(dá)到勘探目的。
上世紀(jì)80年代中期，日本利用自動(dòng)控制理論與集成電路，實(shí)現(xiàn)高密度電法野外數(shù)據(jù)采集，我國地礦界于80年代后期開始研究高密度電法理論與技術(shù)方法；隨著計(jì)算機(jī)硬件與技術(shù)的不斷向前發(fā)展，高密度電法應(yīng)用實(shí)踐不斷加強(qiáng)，日趨成熟，應(yīng)用領(lǐng)域包括：圈定含水層，探測(cè)裂縫、空洞、暗浜和膏鹽層等不良地質(zhì)體，路基及橋墩選址等。
曹創(chuàng)華等（2019）根據(jù)地質(zhì)和鉆孔信息對(duì)高密度電法測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了層狀劃分，構(gòu)建二維模型反演，完成了高密度電阻率從一維到二維的逐級(jí)反演研究，提高了反演精度和地質(zhì)解釋準(zhǔn)確度。王亞輝等（2019）采用鉆孔揭露、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、多參數(shù)地球物理測(cè)井、地面地球物理勘探組合方法開展了地下空間精細(xì)探測(cè)與建模研究，獲取了西咸新區(qū)多參數(shù)地球物理特征，提岀高密度電法、微動(dòng)臺(tái)陣觀測(cè)、淺層地震勘探及多參數(shù)測(cè)井方法相結(jié)合的城市地下空間物探組合方法。
膏鹽層是城市地下空間常見的不良地質(zhì)體，提前獲知基巖內(nèi)膏鹽層埋深及展布具有重要意義。李華等（2020b）采用高密度電法、微動(dòng)勘探、三分量頻率諧振勘探等方法開展了膏鹽富集層探測(cè)研究，并利用等值反磁通瞬變電磁法對(duì)研究區(qū)開展了100mx10m的掃面測(cè)量工作，反演獲取200m以淺的三維電性結(jié)構(gòu)，結(jié)合鉆孔信息推斷膏鹽層空間展布形態(tài)。
郭淑君等（2021）利用高密度電阻率法對(duì)雄安新區(qū)0?200m第四系地層內(nèi)發(fā)育的砂層透鏡體、隱伏裂隙和塌陷等進(jìn)行了探測(cè)研究，結(jié)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)斷面和高密度電阻率體深度切片，預(yù)測(cè)了古河道砂體分布。數(shù)據(jù)采用溫納α布極方式（圖1）、利用WDJD-2高密度電法儀進(jìn)行測(cè)量，電偶極矩10m，測(cè)區(qū)共布置東西向13條測(cè)線、南北向8條測(cè)線，呈網(wǎng)格狀分布。
圖1 二維高密度電阻率法溫納α布極方式
數(shù)據(jù)處理采用Res2dinv軟件，按照數(shù)據(jù)編輯一地形校正一初始設(shè)置一正演設(shè)置一反演設(shè)置一反演結(jié)果輸岀一Surfer成圖的處理流程進(jìn)行。
通過對(duì)測(cè)區(qū)0-200m深度反演的電阻率值進(jìn)行三維建模，得到水平向?yàn)橹?、任意向?yàn)檩o的電阻率深度切片(如圖2)，認(rèn)為：在-65m以上深度，電阻率值范圍為5?70Q?m，高值較多。推測(cè)有大層段含水的細(xì)、中砂，即存在多個(gè)連續(xù)互通的大型“砂層透鏡體”；而-65m以下深度，電阻率值范圍為10?50Q?m，高值減少，推測(cè)粘土、亞粘土、亞砂土與粉細(xì)砂、粉砂等頻繁交互沉積，形成不等厚互層。
圖2 電阻率深度切片圖
高密度電法在城市應(yīng)用中面臨的問題有：城市環(huán)境電磁干擾對(duì)高密度電法不利，高電磁干擾下不宜采用；存在電極與硬化地面耦合問題，需有效改善接地條件，以確保正常供電和探測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性；測(cè)線受建筑物及場(chǎng)地限制等。
2.2 探地雷達(dá)法
探地雷達(dá)法通過地面發(fā)射數(shù)十兆赫至數(shù)千兆赫的高頻電磁波，根據(jù)接收到的反射電磁波振幅及波形等信息，來分析、推斷地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)及地層巖性特征等。探地雷達(dá)法應(yīng)用前提是地層之間存在介電常數(shù)差異，這種上下層介電常數(shù)差異決定了電磁波在地下傳播過程中反射信號(hào)的強(qiáng)弱。
趙鐠等(2017)結(jié)合地下管線探測(cè)及巖溶調(diào)查等案例，分析了探地雷達(dá)等多種探測(cè)技術(shù)的綜合應(yīng)用效果，研究認(rèn)為三維高密度橫波地震、三維高密度電磁法、三維探地雷達(dá)等技術(shù)是城市地下空間探測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。馮晅等(2018)采用全極化探地雷達(dá)識(shí)別管道，改善了已往單極化雷達(dá)只能獲得單極化數(shù)據(jù)的方法，提取了單一及多管道目標(biāo)中任一管道目標(biāo)的極化屬性，表明全極化探地雷達(dá)技術(shù)能獲得更加全面的目標(biāo)體極化信息，能較好識(shí)別極化屬性受到影響的管道目標(biāo)。
鄧詩凡等(2020)綜合應(yīng)用電磁感應(yīng)法、地質(zhì)雷達(dá)法、聲學(xué)探測(cè)法開展地下管線分布探測(cè)試驗(yàn)，通過不同方法相互配合和交叉驗(yàn)證，繪制了準(zhǔn)確的管網(wǎng)分布圖。圖3雷達(dá)圖像揭示了雨水管道、消防管道、熱力管溝及給水管道。結(jié)果表明，組合使用合適的探測(cè)方法，分步試驗(yàn)判斷，可有效解決近距離鑄鐵管線探測(cè)中的信號(hào)干擾問題。
圖3 雷達(dá)圖像
陳思靜等(2021)介紹了當(dāng)前地下管線探測(cè)的主流地球物理方法，認(rèn)為電磁感應(yīng)法探測(cè)金屬管線優(yōu)勢(shì)較明顯，能保證小口徑電力、通訊電纜較高探測(cè)精度，而探測(cè)非金屬管線首 選探地雷達(dá)法，兩種方法互為補(bǔ)充，但抗干擾能力和儀器探測(cè)精度仍有待進(jìn)一步提高。李博等(2022)提岀基于哈希算法的地下管線探地雷達(dá)圖像智能識(shí)別新方法，充分發(fā)揮哈希算法簡(jiǎn)易快捷的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合約束矢量的K均值聚類分析，實(shí)現(xiàn)了探地雷達(dá)剖面中管線的快速識(shí)別；并提岀一種基于亮度函數(shù)的管線材質(zhì)判別方法，解決難以從探地雷達(dá)剖面區(qū)分管線材質(zhì)的難題。
郭士禮等(2019)探討了探地雷達(dá)法采集參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)判方法，對(duì)比研究了正常道路、典型干擾源和典型道路隱性病害的探地雷達(dá)波組特征，認(rèn)為空中電纜線的繞射波雙曲線曲率小、兩翼緩而長(zhǎng)，而地下管線繞射波雙曲線曲率大、兩翼陡而短(圖4)，從而圈定其位置及埋深等，為采取修復(fù)措施、消除塌陷隱患提供了指導(dǎo)依據(jù)。
圖4 空中電纜線和地下管線探地雷達(dá)波組特征
探地雷達(dá)法具有精度高、效率快、連續(xù)無損、實(shí)時(shí)成像等優(yōu)點(diǎn)，目前在城市地下空間探測(cè)中多用于地下管線探測(cè)、地下不良地質(zhì)體探測(cè)、考古及地下水探測(cè)等，其主要問題是受城市復(fù)雜電磁波干擾及探測(cè)深度較淺等。
2.3 面波勘探法
按激發(fā)方式面波勘探包括主動(dòng)源面波勘探和被動(dòng)源面波勘探法。
2.3.1 主動(dòng)源面波勘探
主動(dòng)源面波勘探通常使用直線陣列，可分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法面波勘探通過不斷移動(dòng)檢波器來接收由震源激發(fā)的單頻正弦波。而瞬態(tài)法面波勘探，通常利用多道面波分析技術(shù)，由瞬態(tài)震源激發(fā)較寬頻帶脈沖，不同頻率面波以脈沖形式在地下傳播，通過測(cè)線上按固定道間距均勻布設(shè)的檢波器接收，在頻域分析面波數(shù)據(jù)，通過對(duì)頻散曲線反演，得到近地表各頻率面波相速度，從而獲取橫波速度模型，常用方法包括表面波譜分析法和多道瞬態(tài)分析法。
多道面波分析方法自上世紀(jì)末提岀以來，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，近年來廣泛用于工程勘查領(lǐng)域。李遠(yuǎn)林(2020)聯(lián)合主、被動(dòng)源面波對(duì)渭河盆地進(jìn)行了地層分層調(diào)查研究，提高了成像精度。宋政宏等(2020)采用分布式光纖傳感器進(jìn)行主動(dòng)源面波勘查試驗(yàn)，利用多道面波分析技術(shù)提取頻散曲線，獲取淺層速度，為面波勘探提供了新的數(shù)據(jù)采集儀器設(shè)備。陳淼等(2022)利用多道面波分析方法開展趵突泉邊界地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)，綜合初至波層析與面波頻散分析方法，建立了縱波速度、橫波速度和縱橫波速度比值模型，獲得了淺層0-80m地層結(jié)構(gòu)特征，推測(cè)了泉水邊界徑流通道方向，為濟(jì)南軌道交通建設(shè)和地下空間資源開發(fā)利用提供了新的技術(shù)支撐。
2.3.2 被動(dòng)源面波勘探(微動(dòng)探測(cè))
智能微動(dòng)勘探技術(shù)無須人工震源，具有無損、高效、便捷、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、勘探深度大等特點(diǎn)，在城市地下空間探測(cè)具有明顯優(yōu)勢(shì)及良好應(yīng)用前景。
目前微動(dòng)臺(tái)陣技術(shù)以平穩(wěn)隨機(jī)過程理論為依據(jù)，通過特定觀測(cè)系統(tǒng)獲取天然垂直向下的微動(dòng)信號(hào)，從中提取面波頻散曲線，對(duì)頻散曲線進(jìn)行屬性反演。微動(dòng)臺(tái)陣技術(shù)因其采取采集長(zhǎng)周期微震信號(hào)后再從平穩(wěn)信號(hào)中提取頻散曲線的策略，天然具有抗干擾能力，這點(diǎn)適宜于復(fù)雜城市環(huán)境勘探。但是，由于微動(dòng)信號(hào)中高頻能量較弱，因此對(duì)淺部地層結(jié)構(gòu)的分辨能力較差；由于該方法通常是基于不規(guī)則方向多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)間信號(hào)計(jì)算的平均頻散譜，導(dǎo)致頻散譜收斂性欠缺或整體速度偏大，所獲取的頻散曲線速度值與真實(shí)面波速度差距較大，并且所用裝置布置空間越大誤差越大，最終導(dǎo)致探測(cè)精度降低。圖5為微動(dòng)臺(tái)陣法不同觀測(cè)系統(tǒng)類型，其中直線型和內(nèi)嵌三角型最為常用。
圖5 微動(dòng)臺(tái)陣法不同觀測(cè)系統(tǒng)類型
微動(dòng)測(cè)深方法主要包括原始數(shù)據(jù)采集、相速度頻散曲線提取和橫波速度反演三個(gè)部分?？臻g自相關(guān)法(SPAC)法通?？旖萦行В粍?dòng)源勘探中SPAC方法和背景噪聲互相關(guān)方法(NCF)物理本質(zhì)上是一致的，一個(gè)在頻率域中的描述，一個(gè)在時(shí)間域的描述，SPAC方法得到的是排列下方整個(gè)區(qū)域的平均頻散曲線，而由NCF通過互相關(guān)函數(shù)得到的頻散曲線是任意兩個(gè)臺(tái)站之間路徑上的平均效應(yīng)。
SPAC方法要求比較規(guī)則的圓形陣列采集，在城市采集條件受限，難以采用規(guī)則圓形陣列時(shí)，可采用擴(kuò)展空間自相關(guān)法(ESPAC)。李巧靈等(2019)在北京通州布設(shè)45個(gè)微動(dòng)測(cè)深點(diǎn)，采用擴(kuò)展空間自相關(guān)法(ESPAC)從垂向分量中提取Rayleigh波頻散曲線，利用遺傳算法獲得S波速度結(jié)構(gòu)，有效探測(cè)新生界覆蓋層厚度，為地質(zhì)災(zāi)害防控和地?zé)豳Y源利用提供了科學(xué)依據(jù)。
李洪麗(2020)通過短周期地震儀連續(xù)記錄15小時(shí)地震背景噪聲數(shù)據(jù)(三重圓形采集臺(tái)陣如圖6所示)，采用微動(dòng)空間自相關(guān)法(SPAC)，對(duì)50m、100m和200m臺(tái)陣孔徑大小對(duì)應(yīng)頻散低頻部分相速度進(jìn)行了測(cè)試，通過擬合提取岀觀測(cè)點(diǎn)瑞雷面波頻散曲線(圖7)，并利用面波層析法反演得到該區(qū)域S波速度結(jié)構(gòu)剖面。通過剖面上兩個(gè)低速異常帶劃分富含水區(qū)(圖8)，為地?zé)崽綔y(cè)研究提供了參考。
圖6 微動(dòng)單點(diǎn)觀測(cè)系統(tǒng)（三重圓形臺(tái)陣）示意圖
圖7 瑞雷波相速度頻散曲線
圖8 研究區(qū)地殼淺層二維S波速度剖面
許多古建筑由于地基發(fā)生形變存在傾斜、坍塌等嚴(yán)重安全問題，需探測(cè)古建筑地基，進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。劉旭等(2022)利用背景噪聲成像方法對(duì)河南省登封觀星臺(tái)地基情況進(jìn)行超 高密度無損探測(cè)，在觀星臺(tái)周圍布設(shè)6條測(cè)線采集24h數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，疊加結(jié)果顯示觀星臺(tái)地基成層性良好，無低速異常，與探槽情況吻合，推測(cè)地基結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)固。
城市地面沉降極易導(dǎo)致地面裂縫甚至塌陷，引發(fā)安全事故。徐浩等(2021)以合肥市謝崗小學(xué)為研究場(chǎng)地，嘗試?yán)梦?dòng)方法探究地面沉降原因，將采集的微動(dòng)數(shù)據(jù)利用F-K法進(jìn)行頻散曲線提取，反演得到地下橫波速度結(jié)構(gòu)，結(jié)合地質(zhì)鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，探測(cè)地下不密實(shí)土體的位置、規(guī)模等信息，成功排除了沉降區(qū)二次事故的發(fā)生。
隨著城市發(fā)展，地表河浜因碎石、黏土及垃圾等填埋而形成暗浜，屬不良工程地質(zhì)現(xiàn)象，需消除地質(zhì)隱患。翟法智等(2017)針對(duì)寧波軌道交通暗浜勘查問題，分別研究了微動(dòng)剖面探測(cè)法、瞬態(tài)瑞雷波法及高密度電法三種物探方法探測(cè)暗浜的有效性，三種方法推測(cè)的暗浜位置及埋深較一致。圖9為1線微動(dòng)探測(cè)視S波速度剖面及推測(cè)范圍，圖10標(biāo)示2線瞬態(tài)瑞雷波視速度圖及解釋區(qū)域。
圖9 1線微動(dòng)探測(cè)視S波速度剖面
圖10 2線瞬態(tài)瑞雷波視速度圖及解釋
李華等(2020a)將混合源面波與三分量頻率諧振的淺震勘探技術(shù)用于成都生物城淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)，該方法兼具主動(dòng)源面波探測(cè)精度高和被動(dòng)源面波探測(cè)深度大的優(yōu)點(diǎn)，獲取了60m以淺地層結(jié)構(gòu)的三維S波速度特征，提高了探測(cè)的分辨率和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地層結(jié)構(gòu)的精細(xì)劃分。姜文龍等(2020)分析了城市復(fù)雜環(huán)境干擾的振動(dòng)噪聲特征，利用汽車振動(dòng)噪聲進(jìn)行面波成像，獲取了地下合理的地層波速結(jié)構(gòu)，認(rèn)為合理觀測(cè)系統(tǒng)、有效信號(hào)合理分析及觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)至關(guān)重要。
微動(dòng)H/V譜比法也稱單點(diǎn)H/V譜比法或Nakamura方法，是基于單點(diǎn)三分量數(shù)據(jù)中水平分量和垂直分量的譜比特征進(jìn)行地層屬性反演的勘探技術(shù)。該方法簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)、對(duì)環(huán)境無干擾，適于城市應(yīng)用，獲取的速度本質(zhì)上為真地層速度，具有抗干擾能力，精度高，但較依賴初始速度模型。張若晗等(2020)選用微動(dòng)H/V譜比法對(duì)濟(jì)南中心城區(qū)的土石分界面展開三分量微動(dòng)測(cè)量研究，利用400多個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析了不同類型H/V曲線與地質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，總結(jié)了基巖的深度-頻率關(guān)系式，提供了土石分界面深度快速準(zhǔn)確的解決方案。陳實(shí)等(2019)應(yīng)用天然源面波技術(shù)進(jìn)行城市地質(zhì)調(diào)查試驗(yàn)，通過測(cè)量單點(diǎn)的面波速度結(jié)構(gòu)，精細(xì)劃分岀區(qū)內(nèi)地層構(gòu)造，并得到多項(xiàng)工程地質(zhì)參數(shù)，驗(yàn)證了天然源面波技術(shù)在城市環(huán)境的有效性。
將主動(dòng)源與被動(dòng)源技術(shù)聯(lián)合進(jìn)行勘探，適當(dāng)加大排列長(zhǎng)度和采集時(shí)間，可獲得較深層的勘探精度。主動(dòng)源方法依賴體波和高頻面波進(jìn)行高精度成像，施工成本較高，而被動(dòng)源面波成像方法成本低，主要利用地震背景噪聲互相關(guān)函數(shù)成像，該方法在城市淺層成像方面得到了越來越多的應(yīng)用。高階模式瑞雷面波較低階模式敏感，可聯(lián)合應(yīng)用。在城市范圍內(nèi)布設(shè)高密度的地震觀測(cè)臺(tái)陣，需大量地震儀，布設(shè)維護(hù)成本限制了其推廣。
近年來發(fā)展的分布式聲波傳感技術(shù)（DAS）是一種由感知光纖和光學(xué)信號(hào)解調(diào)儀組成的地震觀測(cè)系統(tǒng)，通過測(cè)量光纖中后向散射光相位變化實(shí)現(xiàn)光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地震波場(chǎng)記錄。該系統(tǒng)能夠以低成本實(shí)現(xiàn)超密集觀測(cè)，有望提高淺層速度結(jié)構(gòu)成像的精度。其獨(dú)一無二的信息感知能力，使得DAS技術(shù)受到廣泛關(guān)注，其迅速發(fā)展，在安防入侵檢測(cè)、地球物理勘探等方面展示了獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和潛力。王寶善等（2021）利用地下通信光纜記錄信號(hào)識(shí)別岀車輛運(yùn)動(dòng)、氣槍震源、人工落錘等不同振動(dòng)信號(hào)，并從光纜記錄的背景噪聲成功提取面波信號(hào)，獲得了地表200m以內(nèi)的橫波速度結(jié)構(gòu)，為城市精細(xì)結(jié)構(gòu)探測(cè)提供了一種新型觀測(cè)技術(shù)手段。
2.4 淺層反射地震法
淺層反射地震通過人工激發(fā)地震波，分析其在地下介質(zhì)傳播的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)屬性，探索地震波傳播規(guī)律，研究淺部構(gòu)造及沉積特征等，達(dá)到探測(cè)淺層地質(zhì)體的物探方法。上世紀(jì)80年代隨著數(shù)字地震儀的岀現(xiàn)和多次覆蓋技術(shù)的產(chǎn)生，提高了抗干擾能力以及探測(cè)精度和分辨率。按震源激發(fā)地震波類型及處理資料數(shù)據(jù)類型，淺層反射地震可分為縱波反射技術(shù)和橫波反射技術(shù)。
2.4.1 縱波反射地震
縱波反射地震利用震源激發(fā)縱波，并進(jìn)行資料處理、解釋，占地震勘探絕大多數(shù)，可用于城市活斷層探測(cè)，采空區(qū)、巖溶區(qū)勘察及人防工程等。活斷層是指在第四紀(jì)期間，尤其晚更新世以來發(fā)生過活動(dòng)，且今后仍可能活動(dòng)的斷層。大量地震災(zāi)害調(diào)查表明，活斷層不僅是發(fā)生天然地震的根源，而且發(fā)生地震時(shí)沿?cái)鄬泳€的破壞最嚴(yán)重。城市活斷層探測(cè)是一項(xiàng)復(fù)雜且具有創(chuàng)新性的工作，是活動(dòng)構(gòu)造研究發(fā)展新階段面臨的艱巨任務(wù)，城市環(huán)境和人類活動(dòng)給該工作帶來許多困難和問題。人工地震勘探是目前公認(rèn)最為有效的城市隱伏斷裂探測(cè)方法之一，進(jìn)行城市反射波地震勘探工作，資料采集常受限于城市激發(fā)環(huán)境和背景干擾。
宋春華等（2021）在上海市大治河水域開展大功率電火花震源激發(fā)的地震探測(cè)，綜合對(duì)比激發(fā)能量、放電水深、不同震源成像效果等，獲取最 佳激發(fā)參數(shù)，地震資料具有較高信噪比，確認(rèn)了在城市水網(wǎng)開展電火花震源激發(fā)地震勘探的有效性，對(duì)城市隱伏斷裂探測(cè)具有良好效果。吳子泉等（2005）探討了城市地震活動(dòng)斷層精 確定位方法，利用可控震源進(jìn)行頻率掃描，對(duì)掃描信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)作互相關(guān)處理，有效壓制城市強(qiáng)振動(dòng)干擾，并利用高分辨率地震和電法勘探對(duì)走滑斷層進(jìn)行聯(lián)合定位。常旭等（2008）采用波動(dòng)方程三分量正演模擬，指導(dǎo)地震觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在城市強(qiáng)噪下利用偽隨機(jī)可控震源采集高精度地震數(shù)據(jù)，偏移剖面清晰地揭示了黃莊一高 麗營斷層的位置，為明確斷層兩側(cè)新生代地層厚度提供了依據(jù)。
易兵等（2008）利用高密度電法、高分辨率地震和重磁等多種方法，在城區(qū)不利干擾下，采用新的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，在探測(cè)活斷層位置、產(chǎn)狀與形態(tài)上取得了較理想的效果，但對(duì)第四系中結(jié)構(gòu)松散弱膠結(jié)、變形輕微的小斷層還需進(jìn)一步研究。趙富有等（2008）從理論和實(shí)驗(yàn)的角度分析橫波的分辨率和觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)選取原則。通過試驗(yàn)確定橫波的觀測(cè)系統(tǒng)，探明長(zhǎng)春市區(qū)波組特征、斷層分布和第四系的埋深情況。燕利芳（2011）利用反射波層析成像技術(shù)對(duì)西安地裂縫勘探，初步獲取了近地表處地裂縫的位置及走向，為成功探測(cè)城市地裂縫提供了一種新思路。郭淑君等（2014）采用彎曲射線追蹤和LSQR算法研究井間速度分布，獲取了井控范圍內(nèi)地層構(gòu)造信息，利用井間地震技術(shù)準(zhǔn)確探測(cè)了斷裂破碎帶和地下掩埋防空洞。
楊歧焱等（2015）采用夯源進(jìn)行地震采集，以3m道距、6次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)及60Hz檢波器接收獲得中部豐富反射信息，反射波組集中在100-150ms之間，且斷層特征明顯，上斷層埋深約90ms，但其淺部反射波信息有所損失（圖11a）；為進(jìn)一步獲取淺部詳細(xì)信息，在同一斷點(diǎn)地段采用1m道距、9次覆蓋及100Hz高頻檢波器接收進(jìn)行了超淺層勘探，反射波組集中在10-100ms之間，淺部反射波組豐富，斷層特征明顯，進(jìn)一步確定了上斷層埋深約40ms，但其中部反射波信息損失嚴(yán)重（圖11b）。結(jié)果表明，為準(zhǔn)確確定斷層的位置、性質(zhì)，尤其是斷層的活動(dòng)特征，應(yīng)采用不同的道間距、排列長(zhǎng)度、覆蓋次數(shù)，以便獲取中部和淺部的反射波信息，進(jìn)行對(duì)比分析，確定斷層的特征。
圖11 (a)3m道距獲得的中淺部地震剖面；(b)1m道距獲得的淺部地震剖面據(jù)楊歧焱等
劉明輝等(2018)應(yīng)用聯(lián)合剖面法和地震勘探確定斷層的空間展布，結(jié)合高密度電法分析斷層的相對(duì)活動(dòng)性，較好解決了隱伏斷裂的探測(cè)與地震活動(dòng)性評(píng)價(jià)問題。趙斌等(2018)采用淺層反射地震技術(shù)查明了大慶地區(qū)克山一大安斷裂嫩江組以上地層信息及斷裂的展布形態(tài)，確定了主干斷裂上發(fā)育的次級(jí)斷裂特征及本區(qū)斷裂-褶皺構(gòu)造體系。王榮等(2013)應(yīng)用陸地聲納法采用單點(diǎn)測(cè)量、極小偏移距激發(fā)接收，避免了淺層勘探大偏移距形成的寬角反射問題，克服了馬路上噪聲干擾，結(jié)合物理和數(shù)值模擬研究，探明濟(jì)南老城區(qū)巖層層面、斷層和巖溶信息。
陳松等(2021)采用高精度地震勘探技術(shù)，以小噸位可控震源激發(fā)，綜合試驗(yàn)震動(dòng)臺(tái)數(shù)、震動(dòng)次數(shù)、掃頻范圍、驅(qū)動(dòng)電平及偏移距等組合參數(shù)，獲得了高 品 質(zhì)地震數(shù)據(jù)，資料反射波組特征明顯、連續(xù)性好，有效揭示了地層結(jié)構(gòu)和埋深特征。
三維地震勘探在城市地下空間探測(cè)中起著重要作用，電火花震源具有安全經(jīng)濟(jì)環(huán)保、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。陳杰等(2021)通過對(duì)比優(yōu) 選電火花震源激發(fā)因素(激發(fā)能量，激發(fā)井深)開展城市三維地震勘探，獲得了較高質(zhì)量的地震資料，探析了地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。白旭明等(2019)在河北廊坊市采用節(jié)點(diǎn)+有線聯(lián)合采集，進(jìn)行高密度寬方位城市三維地震勘探，其中城區(qū)覆蓋次數(shù)達(dá)到1000次以上，覆蓋密度160萬次/km2，橫縱比達(dá)到0.9以上，達(dá)到了較好勘探效果，是我國目前地震勘探面積最大的城市三維地震工作。
2.4.2 橫波反射地震
橫波反射地震利用震源激發(fā)橫波，并進(jìn)行資料處理、解釋。地震橫波不受含水飽和度的影響，探測(cè)精度高，一定程度可彌補(bǔ)縱波反射在淺層勘探的不足。陳相府和安西峰(2007)采用重錘水平錘擊鐵板正反兩個(gè)方向激發(fā)，利用Summit數(shù)字地震儀和28Hz橫波檢波器接收，經(jīng)3次垂直疊加，得到較為理想的單炮記錄(如圖12)，并依據(jù)地質(zhì)解釋和波速測(cè)井對(duì)地層層面進(jìn)行了劃分(如圖13)。分析表明多數(shù)巖土層與反射界面對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，體現(xiàn)了橫波勘探在第四紀(jì)松散層層序劃分及厚度探測(cè)中的優(yōu)勢(shì)，較好彌補(bǔ)了縱波淺層勘探的不足。
圖12 用水平錘擊鐵板震源采集的炮記錄
圖13 1測(cè)線上過孔段水平疊加時(shí)間剖面
馬董偉(2019)利用橫波反射分辨率高、分層能力強(qiáng)的特點(diǎn)，結(jié)合地震層析成像反演地層速度結(jié)構(gòu)，揭示了新沂市局部覆蓋層較薄的活斷層特征，彌補(bǔ)了縱波反射在淺層勘探的不足，提高了勘探精度。王小江等(2020)在雄安新區(qū)外圍開展了高分辨率淺層縱、橫波地震聯(lián)合勘探試驗(yàn)研究，縱波數(shù)據(jù)采集采用寬頻可控震源激發(fā)，橫波數(shù)據(jù)采集采用錘擊激發(fā)，采用中間放炮、小道距接收。通過資料精細(xì)處理獲取了構(gòu)造、巖相及速度等信息。
當(dāng)前，人工地震勘探是公認(rèn)最為有效的城市隱伏斷裂探測(cè)手段之一，受限于城市環(huán)境，地震資料采集往往比較困難。對(duì)于水網(wǎng)發(fā)達(dá)的城市，可因地制宜采取電火花震源激發(fā)探測(cè)，未來在滿足岀力要求下，改進(jìn)震源自身，研制小型化液壓可控震源、輕便型電磁式可控震源等，目前我國地球物理儀器裝備與發(fā)達(dá)國家還存在一定差距。采用組合激發(fā)，適當(dāng)增加垂直疊加次數(shù)壓制干擾。
拖纜系統(tǒng)是未來城市勘探的重要形式之一，解決拖纜結(jié)構(gòu)、檢波器耦合等一系列問題，如采集中使用適合于水泥地面的三角基座，保持耦合性，完善包括震源系統(tǒng)、拖曳系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理在內(nèi)的完整城市地震勘探體系，實(shí)現(xiàn)城市淺層高分辨率勘探。此外，在城市地區(qū)由于地表障礙物、建筑等因素影響，檢波器無法規(guī)則布設(shè)，采集的地震數(shù)據(jù)存在道缺失，往往會(huì)影響地震數(shù)據(jù)處理解釋效果。曹靜杰等（2020）探索應(yīng)用壓縮感知技術(shù)對(duì)城市淺層地震數(shù)據(jù)重建，模擬與實(shí)際數(shù)據(jù)均取得較好效果。未來壓縮感知技術(shù)可應(yīng)用于城市地震勘探，以解決數(shù)據(jù)重建問題。
地震勘探采用小道距敷設(shè)為探明城市淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)等提供了有效途徑。未來仍需在近地表地震波場(chǎng)傳播規(guī)律及能量吸收衰減機(jī)理、聯(lián)合反演、全波形反演、面波成像等方面進(jìn)行深入研究，消除近地表對(duì)地震波場(chǎng)造成的不利影響，來獲取精度更高的近地表結(jié)構(gòu)及參數(shù)模型。由于橫波淺表速度較小，因此對(duì)于起伏較大地形或復(fù)雜地表，靜校正問題會(huì)比較突岀，受靜校正影響較大，因此還需要慎重做好靜校正工作。
2.5 高精度重力法
高精度重力通過在小范圍布設(shè)密集測(cè)點(diǎn)對(duì)地下介質(zhì)密度不均勻引起的微弱重力異常變化進(jìn)行測(cè)量，通過數(shù)據(jù)處理確立異常區(qū)深度和尺度，并轉(zhuǎn)化為合理的地質(zhì)解釋。相對(duì)常規(guī)重力方法，高精度重力探測(cè)范圍一般較小，但測(cè)點(diǎn)密度和探測(cè)精度較高。我國于上世紀(jì)80年代引進(jìn)高精度重力儀，并在地球動(dòng)力學(xué)、地基勘查、考古探測(cè)等領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用研究。隨著儀器精度的提高和數(shù)據(jù)處理方法技術(shù)的進(jìn)步，高精度重力法應(yīng)用越來越廣，可由地面拓展到豎井及坑道內(nèi)甚至建筑物內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量。針對(duì)重力數(shù)據(jù)處理，除常規(guī)高度改正、中間層改正、地形改正外，還需進(jìn)行建筑物改正，通常利用正演建立等效模型，來消除建筑物影響。
王新月等（2019）提岀了基于車載重力測(cè)量平臺(tái)的城市地下空洞快速探測(cè)方法，采用國產(chǎn)高精度捷聯(lián)式重力儀SAG搭建車載移動(dòng)平臺(tái)，在長(zhǎng)春市區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)重力測(cè)量試驗(yàn)，通過改進(jìn)的比值DEXP（極值點(diǎn)深度估計(jì)）法進(jìn)行重力異常數(shù)據(jù)成像，并對(duì)位場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界識(shí)別，得到區(qū)域附近異常值及構(gòu)造指數(shù)，驗(yàn)證了車載移動(dòng)平臺(tái)重力測(cè)量在城市地下空洞探測(cè)中的有效性。
徐燕君等（2021）從重力探測(cè)裝置、高密度數(shù)據(jù)采集、精細(xì)數(shù)據(jù)處理與解釋方面介紹了高精度重力在城市地下空間探測(cè)的應(yīng)用研究成果，包括干擾下的讀數(shù)時(shí)間、三維坐標(biāo)獲取、地形改正方法、異常數(shù)據(jù)計(jì)算、反演方法及解釋成果等。儀器采用新一代高精度重力儀（精度大于土0.001x10-5m/s2），可識(shí)別城市微伽級(jí)異常（±0.050x10-5m/s2以內(nèi)）。為避免城市高樓影響，測(cè)地工作距高樓30m以外使用RTK測(cè)量，30m以內(nèi)使用光學(xué)水準(zhǔn)測(cè)量。為消除不同測(cè)點(diǎn)高程差，測(cè)量前丈量地面至儀器底面高差并取準(zhǔn)為0.1cm，消除該部分的場(chǎng)值異常。在近區(qū)地改上，通過實(shí)際GPS測(cè)地高程數(shù)據(jù)DEM生成1mx1m或2mx2m網(wǎng)格保證高程節(jié)點(diǎn)誤差。中間層密度改正一般采用研究層現(xiàn)場(chǎng)采集標(biāo)本求取平均值或通過不同密度值計(jì)算重力場(chǎng)求取。
在數(shù)據(jù)處理上，常用方法包括多項(xiàng)式、趨勢(shì)面或利用不同頻譜等非線性方法進(jìn)行重力異常分離，圖14為多項(xiàng)式提取剩余重力異常圖，圖15為趨勢(shì)面法提取剩余重力異常圖，其中圖15b、c分別為三階趨勢(shì)分析的剩余重力異常圖及區(qū)域重力異常圖。數(shù)據(jù)反演方面，對(duì)于層狀密度界面，可用最 小二乘的線性回歸法或者Parker法確定單密度界面；或利用RGIS重磁電數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行多界面多參數(shù)迭代擬合。目前國產(chǎn)RGIS及MAGS等軟件比較成熟，包括RGIS軟件三維人工交互反演等，具有詳細(xì)物性條件及鉆孔控制的人機(jī)交互反演為最 優(yōu)反演界面方法。
圖15 趨勢(shì)面法提取剩余重力異常示意圖
(a)某客運(yùn)站地下隧道重力異常圖；(b)剩余重力異常圖；(c)區(qū)域重力異常圖
高精度重力無需打孔布設(shè)電極或檢波器，具有數(shù)據(jù)采集便捷、成本低、綠色環(huán)保、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，在城市地下空間、考古探查、空洞探測(cè)、地下水遷移等方面廣泛應(yīng)用，在一定條件下具有不可替代性。
3 方法對(duì)比分析
當(dāng)前，城市環(huán)境人文干擾強(qiáng)烈，城市物探工作涉及地面探測(cè)、工程測(cè)試及井中探測(cè)等，受限于場(chǎng)地和環(huán)境干擾等不利條件，以及安全、環(huán)保高要求，導(dǎo)致傳統(tǒng)物探方法無法在城市中有效開展，城市地下空間探測(cè)依然面臨諸多科學(xué)問題和技術(shù)難題。包括抗干擾問題、水體下地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)、近地表對(duì)地震波場(chǎng)的影響、淺層探測(cè)分辨率不足等。目前地球物理探測(cè)精度不足，鉆探與物探技術(shù)不足，勘查精度及深度均有一定局限性，可根據(jù)垂向空間分布建立全要素探測(cè)體系。
除淺層探測(cè)分辨率不足，如何消除近地表對(duì)地震波場(chǎng)造成的影響。進(jìn)一步增強(qiáng)抗干擾能力和提升綜合探測(cè)效果，仍需總結(jié)提高方法認(rèn)識(shí)。城市地下空間勘探是一系統(tǒng)工程，可開展多種方法試驗(yàn)和綜合物探，使之有效配合，減少單一方法的多解性。電磁和地震聯(lián)合反演目前主要針對(duì)深層油氣勘探領(lǐng)域，在城市地下空間探測(cè)解釋尚未見諸報(bào)道，面臨新機(jī)遇。表1為常用城市地下空間地球物理探測(cè)方法及效果。
表1 城市地下空間地球物理探測(cè)方法及效果一覽表
4 結(jié)論與展望
城市地下空間探測(cè)內(nèi)容豐富，探測(cè)領(lǐng)域廣，本文闡述的城市地球物理勘探方法主要包括高密度電法、探地雷達(dá)、面波勘探(主動(dòng)源及被動(dòng)源聯(lián)合)、反射地震法以及高精度重力等，地球物理勘探方法以及儀器設(shè)備等也在不斷發(fā)展變化和豐富完善，本文僅作了部分闡述，實(shí)際工作中應(yīng)用的輔助方法還包括折射波法、測(cè)井、速度層析、物理與數(shù)值模擬等，可共同解決城市地下空間探測(cè)問題。
（1）微動(dòng)探測(cè)通過反演地層橫波速度結(jié)構(gòu)特征，有較好的垂向分層能力，應(yīng)用廣泛，在地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)、地?zé)崽綔y(cè)以及地下道路病害探測(cè)均有較好應(yīng)用效果，是未來城市物探工作中綠色、高效的方法。
（2）分布式光纖采集技術(shù)及壓縮感知技術(shù)可極大節(jié)約采集成本，實(shí)現(xiàn)一體化和跨越式采集。
（3）目前高分辨率城市三維地震己有應(yīng)用，未來多波多分量地震、三維探地雷達(dá)等將更多應(yīng)用于城市地下空間探測(cè)。
（4）加強(qiáng)高精度重、磁、電、震多源地球物理技術(shù)集成與反演研究，減少單一方法的多解性，有利于提高探測(cè)效果。
（5）除淺層探測(cè)分辨率不足，在消除近地表對(duì)地震波場(chǎng)造成的影響、進(jìn)一步增強(qiáng)抗干擾能力和提升綜合探測(cè)效果方面，仍需總結(jié)提高方法認(rèn)識(shí)。
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